平面化学已成为当今热门课题之一，具有独特结构和电子特点的平面分子已引起了各国研究者的广泛关注。自从Hoffmann提出“平面四配位碳”概念以来，科研工作者在理论和实验方面设计、合成及表征了大量的平面分子。到目前为止，平面家族种类已经相当丰富，配位数从四配位到超配位，平面中心从碳原子到其它主族甚至过渡金属原子。这些平面分子的发现不仅拓展了人们在分子结构中的设想，而且扩展了中心原子的成键能力。就平面碳分子而言，团簇类型平面碳分子的平面性仅通过内禀的电子特性来实现，这类分子具有结构简单和独特电子结构的特点，另外，团簇类型的平面碳分子可以作为有效的“建筑单元”形成大尺寸的团簇自组装材料。然而，在气相实验中，只有当这个团簇分子在热力学上稳定，即是低能结构或基态结构，光电子能谱等实验才能够探测到它们的存在。由于上述特点，在理论上设计及稳定团簇类型的平面碳分子是相当重要的，其能够为实验提供重要的理论依据。团簇类型平面碳分子的实现仅仅依靠内禀的电子特性，即需要自身“电子”和“机械”因素的良好匹配，这使其理论上设计仍然是相当困难和富有挑战性的。传统上，关于团簇型平面碳分子的设计主要通过“离域”电子策略，即利用中心碳原子2pz孤对电子充分“离域化”及配体-配体间的有效吸引。通过这种电子策略已经获得了大量的平面碳分子，这种类型的平面分子一般具有平均的键模式及均一的配体条件。在总结前人大量实验和理论工作的基础上，我们把有机化学中“定域”的概念成功移植到奇异的平面碳化学中。在团簇类型的平面碳分子设计方面，首次提出了“定域”设计的电子策略，并且利用这种策略成功设计了一系列新型的团簇类型的平面碳分子。同时，我们不断拓展“定域”的电子策略，丰富平面中心和配体的种类。此外，通过总结发现，以硼原子为配体的平面碳分子一般具有较差的热力学稳定性，这是由于相对于硼原子来说电负性大的碳原子不倾向平面中心位置。我们通过调控体系的电荷及在体系进行中掺杂其它类型的配体来改善此类平面碳分子的热力学稳定性。本文对平面分子结构设计和稳定性的研究为实现更多平面分子提供了重要的参考，丰富了平面化学，并为将来实验室的观测、合成及表征提供了重要的理论依据。本论文主要成果包括以下几个方面：（1）基于“定域”的电子策略，我们首次报道了一类新型的平面四配位碳（ptC）分子（BCAl₃2,C2Al₃, NCAl₃）和XCAl₃（X=P, As, Sb, Bi）。在B3LYP, MP2和CCSD（T）方法和aug-cc-pVTZ基组水平下，通过结构，分子轨道，势能面及Born-Oppenheimer分子动力学模拟分析，我们发现这类具有18价电子五原子分子拥有一个稳定ptC结构，且这类ptC结构中心碳原子与其中一个配体X形成了高度定域的C-X多重键，把中心碳原子孤对电子转化为一个两中心两电子的π键。由此，我们利用定域的电子策略成功地把含低周期及重主族原子的多重键引入到了奇异的ptC化学中。我们的外壳层格林函数方法（OVGF）计算表明当前发现的ptC分子C2Al₃-应该已经被光电子能谱所表征（先前的光谱研究仅是对应于一个扇形结构）。因此，五原子C2Al₃-应该是第一个在实验上获得的含有高度定域的C-X多重键的ptC分子。显著地，BCAl₃2-, NCAl₃和XCAl₃（X=P, As, Sb, Bi）的ptC结构是所对应的体系的基态结构，并且反粒子能够进一步稳定BCAl₃2-和C2Al₃-。这样，我们设计的具有新型价键模式的ptC分子有望在将来的实验上表征。当前所提出的“定域”策略是对“离域”策略的有效补充，暗示着有机化学中“定域”和“离域”的概念能够有效的移植到奇异的ptC化学中。（2）相对于丰富的平面碳化学，含有平面氮几何结构的分子是较少的。这可能的原因在于电负性较大氮原子有较强的定域倾向，这在“离域”电子策略中变为不利的因素。基于“定域”的电子策略，对于五原子体系NXAl₃+（X=N, P, As）在B3LYP/6-311+G（d）水平下进行的大量异构体搜索，结果表明，我们获得了一类具有新型键模式的ptN分子，即中心氮原子与其配体X=N, P, As形成了高度定域的多重键。同时，在更高的MP2/aug-cc-pVTZ和B3LYP/aug-cc-pVTZ水平下确认该结果。高水平CCSD（T）/aug-cc-pVTZ的单点计算证明了三个体系的ptN分子具有良好的动力学稳定性，不易发生结构转变和分解，这个结果被Born-Oppenheimer分子动力学模拟所确认。我们详细讨论了三个体系的可能分解路径。尤其是，NPAl₃+所包含的ptN分子是一个基态结构，利于被质子光谱表征。当前工作论证了在有机化学中比较常用“定域和离域”的概念也能够被移植到奇异的平面氮化学中。（3）在碳硼二元体系中，由于相对于硼原子，电负性大的碳原子不倾向平面中心位置，这使由碳硼二元体系所形成的平面碳结构分子在热力学上是不稳定的。进一步，由于热力学不稳定性使得这类平面碳分子在实验上获得是相当困难的。而前人报道中发现中性的CB₄体系是个特例，在CCSD（T）/cc-pVTZ//MP2/cc-pVTZ水平下CB₄体系有一个基态的ptC结构。而通过文献调研，我们发现，先前关于中性CB₄体系基态的理论研究结果并不统一。由此，我们在B3LYP, MP2and CCSD（T）方法和aug-cc-p VTZ及aug-cc-pVQZ基组水平下，我们报道了一个新的结果。我们在CCSD（T）/aug-cc-pVQZ//CCSD（T）/aug-cc-pVTZ+ZPVE高水平下确定了前人报道中并不统一的中性CB₄体系的基态结构，结果表明中性CB₄体系中具有平面三配位碳的异构体是基态结构，而ptC分子仅仅是有较好动力学稳定性的低能异构体。另外，我们首次获得了由碳硼二元体系所组成的基态ptC分子CB₄+。即通过对中性CB₄体系的电荷调控，我们获得了目前唯一的一个由碳硼二元体系所组成的基态的平面碳分子CB₄+。且经过文献调研我们发现，CB₄+阳离子体系早在1988年就已经被质子光谱所表征。另一方面，我们对具有18价电子的CB₄2-体系进行铝原子惨杂，详细的调查了CBxAly2（x+y=4;y≤2）及盐稳体系中实现平面多中心碳分子的可能性。结果发现在CBxAly2组合中每个体系都有一个低能的ptC结构和基态的ptB结构。由此，我们总结在CBxAly2体系中碳原子仍然不倾向平面中心位置,这与Boldyrev和Wang结果是一致的。然而，我们发现随着铝原子配体个数的增加，ptC分子的热力学逐渐提高，即铝原子配体的掺杂改善了ptC分子的热力学稳定性。同时，我们进一步考虑碱金属及碱土金属反粒子对多负电荷平面碳体系的稳定情况。我们发现由于反粒子的加入，平面碳和硼分子的配位数实现了扩大，即从四配位扩展到了五配位。更有趣的是，[CB3Al2]Ca2+和[CB2Al22]M2+（M=Be, Mg, Ca）体系中由于碱土金属的效应我们获得了基态的平面五配位碳分子，这也意味着Al取代和反粒子的协同作用改变了碳原子不倾向平面中心的特点。（4）相对于丰富的平面四配位碳分子，包含有平面超配位碳结构的分子是稀少的。利用过渡金属二氟化物修饰Al4C体系，我们详细调查了其形成平面五配位碳（ppC）分子的可能性。在CCSD（T）//B3LYP, CCSD（T）//M06和CCSD（T）//PBE0和def2-TZVP基组水平下，通过详细的势能面搜索及高水平计算表明：体系（Al4C）MF2（M=Ti, Zr, Hf）中最稳定的构型是一个具有C2v对称性的ppC分子。通过Born-Oppenheimer分子动力学模拟说明了基态的ppC分子有较好的动力学稳定性，利于实验室获得。